Τα υβριδικά κβαντικά-κλασικά συστήματα μοντελοποιούν πρωτεΐνες κλίμακας 12.000 ατόμων με βελτιωμένη ακρίβεια σε ένα επίτευγμα-ορόσημο, σύμφωνα με άρθρο του Interesting Engineering
Ερευνητές από την Cleveland Clinic, το RIKEN και την IBM πραγματοποίησαν την μεγαλύτερη μέχρι σήμερα κβαντική-κλασική προσομοίωση στη χημεία, μοντελοποιώντας συστήματα πρωτεΐνης-λιγάνδης (σ.σ: λιγάνδη ή προσθέτης, το μόριο που συνδέεται με την πρωτεΐνη) με περισσότερα από 12.000 άτομα.
Το έργο σηματοδοτεί μια σημαντική κλιμάκωση στον τρόπο με τον οποίο οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζί με κλασικούς υπερυπολογιστές για τη μελέτη πραγματικών προβλημάτων χημείας.
Η ομάδα προσομοίωσε δύο βιολογικά σημαντικές πρωτεΐνες, την T4-Lysozyme και την Trypsin, μαζί με τα μόρια στα οποία προσδένονται, σε ένα ρεαλιστικό περιβάλλον νερού
Το μεγαλύτερο σύστημα έφτασε τα 12.635 άτομα και περίπου 30.000 τροχιακά (orbitals), ξεπερνώντας κατά πολύ προηγούμενες επιδείξεις κβαντικών υπολογιστών στη χημεία.
Το αποτέλεσμα αυτό έρχεται μόλις λίγους μήνες μετά την προσομοίωση μιας πολύ μικρότερης πρωτεΐνης 303 ατόμων. Η νέα εργασία αντιπροσωπεύει 40πλάσια αύξηση στο μέγεθος του συστήματος και 210 φορές βελτίωση στην ακρίβεια σε ένα βασικό μέρος της ροής εργασίας, αναδεικνύοντας την ταχεία πρόοδο στον τομέα.
Για να το επιτύχουν αυτό, οι ερευνητές συνδύασαν κβαντικούς επεξεργαστές με κλασικά συστήματα υψηλών επιδόσεων, δημιουργώντας αυτό που περιγράφουν ως ροή εργασίας υπερυπολογιστικής με κεντρικό ρόλο τον κβαντικό υπολογισμό.
Το κβαντικό υλικό χειρίστηκε τα πιο σύνθετα μέρη του υπολογισμού, ενώ οι κλασικοί υπερυπολογιστές συνέδεσαν τα αποτελέσματα.
Η κβαντική τεχνολογία συναντά την πραγματική χημεία
Η ομάδα χρησιμοποίησε έως και 94 qubits σε δύο κβαντικούς επεξεργαστές για δειγματοληψία, εκτελώντας 9.200 κυκλώματα σε περισσότερες από 100 ώρες και συλλέγοντας 1,3 δισεκατομμύρια αποτελέσματα μετρήσεων.
Τα κβαντικά δεδομένα στη συνέχεια επεξεργάστηκαν από ισχυρά κλασικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου του υπερυπολογιστή Fugaku της Ιαπωνίας.
«Αυτό το αποτέλεσμα είναι ένα από εκείνα τα πράγματα που ονειρεύεσαι», είπε ο Dr Kenneth Merz, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης.
Η προσέγγιση βασίζεται σε μια μέθοδο που χωρίζει μεγάλα μόρια σε μικρότερα, διαχειρίσιμα σύνολα. Οι κλασικοί υπολογιστές επιλύουν απλούστερες περιοχές, ενώ τα κβαντικά συστήματα αναλαμβάνουν τα πιο συσχετισμένα και υπολογιστικά δύσκολα μέρη. Τα αποτελέσματα στη συνέχεια συνδυάζονται ξανά για να δώσουν μια συνολική εικόνα του μορίου.
Οι ερευνητές εισήγαγαν επίσης βελτιώσεις τόσο στις κλασικές όσο και στις κβαντικές τεχνικές. Ένα βασικό βήμα περιλάμβανε τη βελτίωση του τρόπου με τον οποίο το σύστημα εντοπίζει ποια μέρη ενός μορίου χρειάζονται λεπτομερή κβαντική επεξεργασία, μειώνοντας το συνολικό υπολογιστικό κόστος.
Κλιμάκωση των κβαντικών ροών εργασίας
Μια άλλη πρόοδος προήλθε από έναν νέο κβαντικό αλγόριθμο που βελτιώνει τον τρόπο με τον οποίο εντοπίζονται σχετικές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις. Αυτό βοηθά το σύστημα να εστιάζει στα πιο σημαντικά μέρη της συμπεριφοράς ενός μορίου, αγνοώντας λιγότερο χρήσιμα δεδομένα.
Παρά την πρόοδο, η μέθοδος δεν ξεπερνά ακόμη τις καλύτερες κλασικές προσεγγίσεις. Ωστόσο, δείχνει ότι τα κβαντικά συστήματα μπορούν ήδη να συμβάλουν σε σημαντικά επιστημονικά προβλήματα, ιδιαίτερα όταν ενσωματώνονται σε υπάρχουσες υπολογιστικές υποδομές.
«Αν θέλουμε μια ακόμη τάξη μεγέθους ή δύο βελτίωσης, η κβαντική υπολογιστική είναι πιθανότατα ο δρόμος», είπε ο Merz.
Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι υβριδικές ροές εργασίας κβαντικών-κλασικών υπολογιστών θα μπορούσαν να γίνουν πρακτικό εργαλείο για τη χημεία, καθώς το κβαντικό υλικό συνεχίζει να βελτιώνεται. Μελλοντικά συστήματα αναμένεται να μπορούν να χειρίζονται ακόμη μεγαλύτερα και πιο σύνθετα μόρια με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Οι πιθανές εφαρμογές είναι σημαντικές. Πιο ακριβείς προσομοιώσεις θα μπορούσαν να επιταχύνουν την ανακάλυψη φαρμάκων, να βελτιώσουν τον σχεδιασμό υλικών και να μειώσουν την ανάγκη για δαπανηρά εργαστηριακά πειράματα.
Η έρευνα υπογραμμίζει πώς ο συνδυασμός κβαντικών επεξεργαστών με κλασικούς υπολογιστικούς πόρους μπορεί να καθορίσει την επόμενη φάση της υπολογιστικής υψηλών επιδόσεων, προσφέροντας έναν δρόμο για την επίλυση προβλημάτων που σήμερα είναι εκτός εμβέλειας.
www.worldenergynews.gr
